淺析污泥水熱深度脫水濾液的處理

王 迪，杜 松，朱 維，崔寶山，趙瑞江，楊 旭

(1.北京國環清華環境工程設計研究院有限公司，北京100084;2.清華大學環境科學與工程學院，北京100084)

1 引言

隨著我國城市污水處理廠的普及，污泥產量持續快速增加。據統計［1］，目前我國污泥(按含水率80%計)的產生量約1400萬t/年，預計到2015年將達到3560萬t/年。我國污水廠普遍對污泥進行機械脫水，脫水污泥含水率平均為80%左右，而常見的后續處理處置手段如堆肥、焚燒、填埋等均要求含水率在60%以下，這導致高達83%的脫水污泥直接外運堆置，沒有得到有效處置［2］。

可見，進一步降低脫水泥餅含水率，是污泥減容減量和無害化處置的基礎。為了滿足后續處置對含水率的要求(＜60%)，目前國內主要采用的技術手段是蒸發干燥和石灰干化。但是蒸發干燥的能耗高，石灰干化又會造成污泥處置量增加等問題［3］。因此，充分發揮機械脫水低能耗的優勢，開發高效、經濟的污泥“深度脫水”技術，替代干化工藝，實現污泥脫水與處置的直接對接，將為污泥處理處置系統節能增效開辟新的技術途徑。

污泥脫水困難根本上是由污泥細胞質膠體結構特征所決定的，要實現污泥的深度脫水，必須通過預處理手段改變污泥的結構。當前，最受關注的是基于細胞破碎原理的預處理技術，如水熱技術、機械破碎、化學溶胞、超聲波、微波和電滲透等［4］。水熱技術通過在密閉的容器中將污泥加熱，在一定溫度和壓力下污泥微生物細胞破碎，膠體結構破壞，粘度降低，細胞水、毛細吸附水和表面吸附水大量析出，從而提高了污泥的脫水性能。同時，在水熱過程中大分子有機物發生水解，由固相轉移至液相，從而大幅度提高了污泥的生物降解性能。

水熱技術的雛形是20世紀30年代出現的熱處理技術［5］，早在1939年就開始面向應用開展研究。50年代開發的Zimpro工藝、70年代的低壓氧化工藝，降低了操作條件，80年代開發的Protox工藝提高了污泥水解效率，90年代中期又開發了快速熱調節技術。挪威Cambi工藝進一步緩和了水熱工藝條件，將水熱技術成功地應用于提高污泥的厭氧消化性能。

清華大學從20世紀80年代初開始水熱技術的基礎研究，90年代承擔了國家“八五”科技攻關的相關課題，2002年開展了污泥水熱處理的中試研究，2004年開發了“水熱處理－ASBR厭氧消化”組合技術，并于“十五”期間承擔了863計劃和國家重大水專項的相關課題任務。在工程應用方面，2008年北京健坤偉華新能源科技有限公司在東莞市區污水廠建設了國內首個污泥水熱處理示范工程。

將自由水從懸浮液中分離需要進行某些不可逆過程，例如克服污泥層(濾餅)和過濾介質的摩擦力等，這些過程都需要消耗有效的能量。在污泥脫水過程中，機械力做功傳遞給污泥，作用于污泥中可以被分離去除的水分，使之通過污泥層和過濾介質排出系統。隨著過濾層干度的提高，需要的能量輸入也會逐步提高，當脫水設備能夠提供(或者能夠經濟提供)的機械功低于克服水脫離污泥固體所需要的能量時，難以進一步降低含水率［6～8］。宏觀上表現為污泥脫水只能達到一定含水率，圖1給出了壓力做功下的污泥脫水原理。

機械脫水過程中，依靠機械力做功將水從懸浮溶液中去除。利用模型計算改性污泥脫水過程需要的機械力做功，從而得到污泥在脫水過程中能量需求與脫水效果變化的定量關系。

2 材料與方法

2.1 試驗裝置

在Fenton試驗中，使用1L大燒杯盛裝脫水濾液，用FeSO4·7H2O提供Fe2+離子作為催化劑，用30%的H2O2作為氧化劑進行反應。

圖1 污泥壓濾脫水示意圖

而UV－Fenton的試驗裝置選擇深圳道匯科技有限公司自主研發的UV－Fenton小試設備。該小試設備是用進口PP材質制成基本反應容器，并且在反應器中增加了紫外照射設備和曝氣以及自動進藥裝置(圖2)。

圖2 UV－Fenton試驗裝置圖

2.2 脫水濾液水質參數

污泥水熱脫水濾液水樣取自863城市污泥高效脫水關鍵設備及工藝研究項目的北京昌平區沙河基地和水屯基地，取樣時間為2010年10月至2011年6月，其水質參數見表1。

2.3 試驗方法

在普通Fenton試驗中設定反應時間為2h。試驗前調解濾液pH值到3.5，然后開始試驗。其中FeSO4·7H2O的投加量為溶液質量的3‰左右，H2O2每30min的投加量為所處理濾液體積的1%左右。UVFenton試驗的預處理以及藥劑投加量與普通Fenton試驗是一樣的。反應停止后，將反應液pH值調到9，過濾去鐵泥后，測濾液的參數。參數所涉及到的如CODCr、BOD5、Ca2+、腐殖質、蛋白質等指標全部按照國標檢測方法測定。

3 結果與討論

表2為普通Fenton試驗的水質情況。由于水熱反應所處理的原料的參數不同，導致其脫水濾液的指數也不相同，其COD浮動區間為7000～12000左右。整個反應中出水的COD的變化主要取決于進水的濃度，以及所使用氧化劑占進水COD的比例。該比例越大則氧化的強度越大，所完成的處理效果越好。

表2 普通Fenton試驗的水質情況

表3為UV－Fenton試驗的水質變化情況。由數據可見在氧化劑藥劑量和催化劑藥劑量以及反應時間都相同的情況下，UV－Fenton裝置所處理的污泥水熱脫水濾液的COD去除率在85%以上，遠高于普通Fenton的試驗效果。而且BOD5從數據上來看是下降的，但是所被處理的濾液的B/C值卻有所升高，但是仍然為達到具有可生化性的界定數值0.3。氨氮在整個試驗之后有小幅度升高。可見無論是普通Fenton或者是UV－Fenton處理方法處理污泥水熱脫水濾液時都未有明顯的效果。所以研究人員還需另尋他徑去處理濾液中的氨氮。

表3 UV－Fenton試驗的水質變化情況

4 結語

結果表明污泥水熱脫水濾液是一種高濃度較難處理的廢水。在用Fenton和UV－Fenton的方法分別對其進行處理時發現UV－Fenton的處理效果更好，CODCr去除率達到85%以上。該發現為解決日后的由水熱處理污泥所產生的廢水提供了一條新的方法與途徑。

［1］中國環境年鑒編委會.中國環境年鑒［M］.北京:中國環境科學出版社，2006.

［2］張 辰.污泥處理處置技術研究進展［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［3］汪群慧，劉建麗，艾恒雨，等.提高污泥厭氧消化效率的溶胞預處理技術［J］.黑龍江大學自然科學學報，2005，22(5):614 ～618.

［4］Tiehm A，Nichel K，ZellhormM，et al.Ultrasonic Waste Activated Sludge Disintegration for Improving Anaerobic Stabilization［J］.Water Research，2001，35(8):2003 ～2009.

［5］文 澤.水熱干化污泥處理技術的新空間［J］.環保產業，2007(12):12～16.

［6］張光明，張信芳，張盼月.城市污泥資源化技術進展［M］.北京:化學工業出版社，2006.

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